Предисловие

Н. Н. Гуровский. Космическая медицина – земной!

Ю. Г. Нефедов. Обитаемость космических кораблей

Е. Е. Ковалев. Защита экипажей от ионизирующей радиации

Н. П. Дубинин. Генетика и космос

Е. А. Ильин, Г. П. Парфенов. Исследования на биоспутниках серии «Космос»

Если быть кратким, то суть космической медицины состоит в обеспечении безопасности и благополучия человека в условиях космического полета: здоровья, высокой рентабельности – с тем, чтобы космонавт, совершающий полеты в настоящее время и в будущем, чувствовал себя хорошо и мог эффективно выполнять свою работу.

Естественно, что сюда относится большое число вопросов, которые нужно решать, вопросов, прежде всего связанных с обеспечением оптимальной среды обитания человека и условий, в которых протекает его работа. Это связано с созданием обитаемых кабин космического корабля, систем жизнеобеспечения, которые предназначены для удовлетворения основных потребностей человека, а также с обеспечением его всем тем, в чем он нуждается.

Сейчас, когда полеты становятся все более и более продолжительными, это не ограничивается только предоставлением космонавтам необходимых запасов кислорода, воды и пищи, но включает в себя возможность удовлетворить и многие другие потребности человека, в том числе даже необходимые развлечения, потому что когда человек долго находится в отрыве от Земли, выполняя во время космического полета большую и напряженную работу, Нужно подумать и о том, чтобы он мог надлежащим образом отдохнуть. Поэтому все, что окружает человека в условиях космического полета, является предметом тщательной заботы и внимания космической медицины.

К сожалению, условия, в которых совершаются полеты, на современном этапе еще не таковы, чтобы снять или значительно сократить нагрузку на человека. Таким образом, пока нет возможности исключить возникновение и развитие приспособительных реакций – адаптацию к условиям полета.

Поскольку условия космического полета предъявляют к организму человека определенную нагрузку, необходимо знать, каким образом эта нагрузка реализуется, в чем проявляется ее действие, какие сдвиги она вызывает в организме, оценить все то, что происходит с человеком, и на основе этих сведений разработать комплекс мероприятий, которые обеспечили бы благополучие человека в полете.

На основе современных знаний о физиологии человека в космическом полете разрабатываются соответствующие профилактические и защитные мероприятия, формулируются требования к среде обитания человека на борту космического аппарата.

Наверное, было бы преждевременно говорить о том, что сейчас мы всё знаем о влиянии космоса на жизнь человека. По всей вероятности, было бы правильнее сказать, что нам известны лишь основные реакции, и, по-видимому, в большинстве случаев имеется правильная ориентировка в характере этих явлений, в их природе. Все это позволяет надеяться на то, что открыт путь к тому, чтобы уметь исправить ход неблагоприятных реакций, если возникает в этом необходимость. Например, если неблагоприятным, с нашей точки зрения, образом изменяется характер кровообращения, мы обладаем методами, с помощью которых можно эти изменения предотвратить, когда мы считаем, что эти изменения могут неблагоприятно сказаться на состоянии человека.

Практически все космонавты, возвращающиеся на Землю, теряют в весе (от 0,5 до 7 кг). Динамика веса, как известно, очень существенный показатель состояния организма. Если человек теряет вес, каждый из нас, а тем более врач, начинает беспокоиться. Правда, бывает и наоборот, но здесь мы рассматриваем случай, когда потеря веса нежелательна.

В настоящее время могут быть предприняты меры, которые ограничивают или вовсе исключают снижение веса космонавта в полете. Постоянство веса взрослого человека в основном регулируется соотношением вводимых в организм пищевых веществ и воды, с одной стороны, а с другой – его энергетическими и практическими потребностями плюс выводимыми из организма продуктами. Относительно космических полетов известно, что утрата веса тела космонавтом возникает по двум причинам: первая состоит в потере жидкости организмом (так называемое явление дегидратации); вторая – в уменьшении мышечной массы. Для того чтобы стабилизировать вес человека в полете, необходимо регулировать водно-солевой баланс и поддерживать в надлежащем состоянии мышечную систему путем физических тренировок, которые обеспечивают сохранение мышечной массы. Таким образом, имеется возможность стабилизировать вес человека в космическом полете, и это достигается на практике.

Сейчас в результате длительных и детальных исследований реакций человеческого организма в космическом полете разработана соответствующая система мероприятий, которая позволяет регулировать физиологическое состояние космонавта, с тем чтобы обеспечить достаточный уровень его физиологического благополучия, хорошее самочувствие и нормальную работоспособность.

Но не все в этой области известно. Так, например, у космонавтов обнаружено уменьшение числа кровяных шариков – эритроцитов. Снижение числа эритроцитов не очень велико и не представляет, по-видимому, опасности для человека. Но если с увеличением длительности полетов обнаружится тенденция к возрастающей потере эритроцитов, то это может оказаться существенным ограничением для более длительных полетов.

Другим заслуживающим внимание процессом является повышенное выделение некоторых солей (электролитов), в частности кальция, из организма космонавтов. Не будем останавливаться на том, что избыточное выделение кальция через систему органов выделения может принести серьезные неприятности с точки зрения образования камней. Хотя уже это делает проблему достаточно важной и сложной. Но кальций является, кроме того, важным биологическим и физиологическим элементом, который очень существен для построения костной ткани, для нормального течения процессов возбуждения в нервной ткани и т. д.

Словом, кальций является биологически очень важным элементом, и его утрата неблагоприятна для функций организма. Вместе с тем медико-биологические исследования, проводившиеся в космических полетах разной продолжительности, показали, что даже после самых длительных полетов утрата кальция в максимуме не превышала 10 – 15%. Эти цифры, как мы знаем из клинической практики, не могут нас напугать и не служат ограничением для увеличения продолжительности полета. Однако нам необходимо научиться управлять этими явлениями, так же как и реакцией кроветворения, для стабилизации ряда физиологических показателей на уровне, обеспечивающем нормальные функции человека в космическом полете большой продолжительности.

Но этими проблемами космическая медицина, разумеется, не исчерпывается. Дело не только в осуществлении профилактических мероприятий, целью которых является стабилизация состояния здоровья человека, важно обеспечить человека всем необходимым на случай возникновения каких-либо заболеваний. При этом нужно знать, как меняется реактивность организма.

Изменение реактивности организма можно наблюдать на разных примерах. В частности, имеется достаточно большой набор микроорганизмов, сосуществующих с человеческим организмом. Многие из них полезны, некоторые бывают вредны, словом, между человеком и микробами существуют определенные отношения, взаимодействие, и если это взаимодействие нарушается, оно может привести к заболеваниям, которые в данном случае называются инфекционными. Если взять статистику заболеваний, возникавших в космических полетах по программе «Аполлон», то все отмеченные 17 случаев заболеваний были инфекционного характера (типа вирусных) . Все это подчеркивает важность изучения проблемы иммунитета, способов защиты человека от заболеваний в полете, его взаимодействия с микроорганизмами, вирусами и т. д.

По мере увеличения продолжительности полетов огромное значение приобретают проблемы медицинской психологии, психологии труда человека, проблемы эргономики, социальной психологии, взаимодействия между членами экипажа, а также между экипажем, совершающим полет, и персоналом наземных служб. Особенности космических полетов предъявляют повышенные нагрузки к организму человека, к его психике, поэтому подбор членов экипажа, регуляция психического тонуса, эмоционального состояния и другие проблемы необычайно важны.

Все это мы достаточно хорошо знаем, поскольку нередко сталкиваемся с подобного рода проблемами на работе и в быту. Поэтому несомненно то, что если космическая медицина продвинется в разработке этих проблем в интересах космонавтики, это принесет полезные результаты и для нашей земной практики.

Можно и далее перечислять круг основных проблем, которыми занимается современная космическая медицина, но в этом случае неизбежно будут затронуты те темы, которые обсуждаются в сборнике. Поэтому позвольте сделать очень короткое резюме...

Ранние утренние часы, начало весны, первые годы жизни человека – все это такие периоды времени, которые всегда бывают особенно значительными, может быть, окрашенными радостным ощущением ожидания того, что ждет нас впереди... Нечто подобное переживает сейчас космонавтика и, в частности, космические путешествия человека, поскольку это его первые шаги в космосе. И именно потому, что это – первые шаги, мы не должны быть самонадеянными. Нужно ясно понимать, что дальнейшие шаги на этом пути будут ставить новые и, может быть, еще более сложные проблемы.

Нам следует быть осторожными в своих выводах. Древние были необычайно правы, когда говорили, что путь к звездам сложен и тернист. Сознавая это, мы должны двигаться вперед, основывая свои действия на тщательном и глубоком изучении природы человека, его реакций на космическую среду, уделяя самое большое внимание безопасности будущих космических полетов.

Академик О. Г. Газенко

Н. Н. ГУРОВСКИЙ,

доктор медицинских наук

Константин Эдуардович Циолковский назвал освоение космоса «погоней за светом и пространством». По моему мнению, освоенной можно считать ту часть космического пространства, в которой уже побывал человек. Автоматы действительно дают очень большую информацию и без них трудно представить себе процесс освоения космоса, но ведь заканчивать этот процесс приходится человеку. И вот тут можно с очевидностью утверждать, что в развитии космонавтики немало заслуг принадлежит той отрасли медицины, которая носит гордое название «космическая».

Космическая медицина вышла из недр медицины земной и, в частности, авиационной, впитала в себя достижения самых разнообразных областей естествознания, особенно медицинских и биологических наук. Однако она не оторвалась от них, и сама теперь вносит немалый вклад в решение земных медико-биологических проблем.

В этой статье будут приведены примеры, характеризующие вклад космической медицины, и очерчены ее земные пути.

Самое общее и, может быть, самое существенное влияние космических исследований на различные области медицины состоят в положительном, стимулирующем влиянии этих исследований на общий прогресс в науке и технике.

Специфичность задач, которые должна была решать космическая медицина, потребовала привлечения значительного числа инженеров, математиков, физиков – словом, специалистов так называемых точных наук, а это в значительной степени способствовало прогрессу в области космической медицины, в частности, при создании специальной аппаратуры, которая сейчас используется и в условиях различных клиник.

Например, особенность медицинского контроля за состоянием здоровья космонавта в полете состоит в том, что «больной» (космонавт) находится за сотни километров от врача, который должен обследовать, оценить состояние здоровья и реакции физиологических систем космонавта, а в случае действительного заболевания – поставить диагноз и назначить лечение. Это определило необходимость разработки дистанционных методов контроля за основными системами организма. При этом медицинская аппаратура, создаваемая для этих целей, должна была быть миниатюрной, надежной и устойчивой к внешним воздействиям (вибрациям, перегрузкам, температурным влияниям и т. д.).

В настоящее время разработаны специальные методы и соответствующая аппаратура, которые позволяют с помощью телеметрических систем дистанционно регистрировать и передавать с борта космического корабля на Землю такие физиологические показатели, как электрокардиограмма, кровяное давление, биотоки мозга электроэнцефалограмма), мышц (электромиограмма), кровенаполнение сосудов (реограмма) и т. д. Кроме того, было создано устройство, предназначенное для записи ряда показателей на магнитную ленту, которые подробно расшифровываются после возвращения космонавтов на Землю или по мере необходимости периодически сбрасываются с магнитного носителя на воспринимающие наземные устройства во время полета.

Таким образом, космическая медицина располагает большими возможностями в дистанционном изучении различных физиологических систем человеческого организма. Достаточно сказать, что функции сердечно-сосудистой системы можно при этом обследовать в не меньшем объеме, чем в хорошо оборудованной наземной лаборатории.

Этот метод непредельного дистанционного медицинского контроля, реализованный в космических полетах, нашел практическое применение в различных областях клинической медицины, а также при врачебном контроле за спортсменами, в курортологии и т. д. Например, в ряде клиник достаточно широко используются дистанционные методы регистрации некоторых физиологических показателей для контроля за состоянием больных в послеоперационном периоде, в реанимационных отделениях. В курортологии этот метод нашел применение для оценки состояния пациентов во время приема некоторых процедур. В спортивной медицине врачи и тренер могут следить за сердечной деятельностью непосредственно в процессе выполнения упражнений, во время бега и даже при плавании. Была создана и специальная аппаратура, в которой использовались принципы, заложенные в аппаратуре врачебного контроля за космонавтами.

Используется в земных клиниках и разработанный для космической медицины метод сейсмокардиограммы для оценки сократительной функции сердечной мышцы – он применялся во время полетов экипажей «Востока-5» и «Востока-6», всех космических кораблей «Восход» и «Союз», а также орбитальных станций «Салют».

Другие примеры взаимодействия космической и земной медицин связаны с процессами обследования человека, с диагностикой состояния основных систем организма. Как известно, космической медицине еще в процессе своего становления пришлось решать задачи по отбору космонавтов к космическим полетам, по разработке требований к среде обитания в кабине космического корабля, к системам жизнеобеспечения космонавтов, а также при оценках реакций человеческого организма на воздействие условий космического полета.

Интересно, что специалисты, начавшие работу в этой области, столкнулись с таким фактом, как недостаточность наших знаний о ряде показателей, характеризующих норму: нормальные реакции здорового человека в различных условиях, нормальные показатели содержания ряда вредных примесей в атмосфере помещений (особенно – замкнутых при длительном пребывании в них человека) и т. д. Таким образом, оказалось, что хотя медицина «знает» и здорового человека, и показатели больного, но гигиена по части разработки норм крайне мало учитывала требования к нормированию среды обитания замкнутых помещений малого объема.

В связи с этим были предприняты специальные исследования в области космической медицины, направленные на уточнение допустимых колебаний физиологических показателей, возникающих при разнообразных нагрузках. Эти работы во многом способствовали углублению наших знаний о границах нормы и патологии, о пограничных состояниях между болезненными явлениями и нормальными, а это весьма существенно при клиническом лечении больных.

Кандидаты в космонавты, готовящиеся к первым полетам, должны были обладать не просто хорошим здоровьем, но и иметь большие резервные возможности реакций физиологических систем на допустимую нагрузку. Это особенно важно, поскольку один человек может переносить данную нагрузку (например, при подъеме и в барокамере, при перегрузках на центрифуге и т. д.) «уже» на пределе своих физиологических возможностей, в то время как у другого остается еще резерв (как говорят, он не полностью «выкладывается»). В связи с этим при обследовании кандидатов в космонавты были разработаны специальные методы, позволяющие определить такие резервы, а также выявлять скрытую патологию и скрытые болезни.

Например, оказалось, что так называемые гипоксические пробы, т. е. дыхание газовой смесью, обедненной кислородом, помогают выявить скрытую коронарную недостаточность. Эти пробы сейчас прочно вошли в клиническую практику при экспертизе летчиков. Используются также методы исследования вестибулярного анализатора, разработанные для отбора космонавтов.

В гигиенической практике проведены значительные исследования, составлены и утверждены предельно допустимые концентрации вредных примесей в воздухе герметических помещений и утверждены соответствующие нормативы.

Одним из основных и наиболее специфических для космонавтики факторов является невесомость. При длительном пребывании космонавта в условиях невесомости, особенно если он недостаточно внимательно относился к физической тренировке и применению других профилактических средств, отмечались изменения со стороны сердечно-сосудистой системы, минерального обмена, костно-мышечной системы и т. д. Эти изменения усугубляются состоянием гиподинамии, т. е. снижением двигательной активности, характерным для условий космического полета. Действительно, даже относительно большие размеры жилых помещений современных космических станций («Салют», «Скайлэб») не обеспечивают необходимое общее количество движений, которое чрезвычайно важно для нормальной жизнедеятельности человека. Космонавты в течение всего полета находятся в кабине космического корабля, выходят в безграничный простор открытого космоса достаточно редко, и «прогулки» с оздоровительной целью – это удел достаточно далекого будущего.

Наиболее распространенным моделированием невесомости является длительное пребывание человека в горизонтальном положении в постели. В таком положении у человека в значительной степени вес столба крови, облегчается работа мышц, которые в обычной жизни поддерживают вертикальную позу человека, т. е. в подобном «эксперименте» на Земле создаются условия, с известным допущением имитирующие невесомость. При этом можно изучать реакции физиологических систем, проверять эффективность различных профилактических средств и методов борьбы с неблагоприятными последствиями действия невесомости.

Не вызывает сомнений актуальность изучения проблемы гиподинамии и постельного режима применительно к задачам нашей жизни, притом не только при клиническом лечении больных. Дело в том, что снижение двигательной активности у населения развитых стран весьма характерно для века механизации, автоматизации, телевидения, современных транспортных средств.

Сейчас человек мало передвигается пешком, для него более привычно сидеть в кабинете или у пультов управления автоматами, у телевизоров, ездить на автомашинах, в метро и т. д. В то же время недостаточность движения (гипокинезия) играет существенную роль при возникновении ряда заболеваний, и прежде всего сердечно-сосудистой системы и нарушении обмена веществ.

Кроме того, в условиях клинического лечения многие больные вынуждены иногда очень долго пребывать в постели. Так что проблема гипокинезии обрела сейчас социальную значимость и, по существу, является проблемой века техники.

Исследование этого состояния в интересах космической медицины проводилось на здоровых людях – они длительное время находились в горизонтальном положении на строгом постельном режиме (не разрешалось даже приподниматься). Это исследование выявило комплекс симптомов со стороны различных систем человеческого организма (сердечно-сосудистой, опорно-двигательного аппарата, водно-солевого обмена и т. д.). А это очень важно для лечащих врачей в клиниках, поскольку необходимо выявлять, какие явления связаны с основным заболеванием больного, а какие – с ограничением его подвижности.

Интенсификация производственных процессов, широкое внедрение автоматики, современных средств управления производством требуют оптимального взаимодействия между человеком и техникой, а также правильного решения вопросов о том, что должен решать человек в контуре управления сам, а что следует передать автоматическим системам. Круг этих вопросов освещается специальной отраслью знания – инженерной психологией. Ученые, исследующие эти проблемы, дают рекомендации для построения автоматических систем управления, в которых должен участвовать человек, и изучают возможную деятельность человека в этих системах.

Занимаясь изучением систем «человек–техника» применительно к космическим исследованиям, врачи, психологи, инженеры вносят свой вклад в инженерную психологию, чем способствуют решению этой проблемы и на Земле.

В первые годы космической эры космическая медицина переживала естественный период накопления экспериментальных данных. Тогда она брала из своего источника – земной медицины – основные данные, факты, рекомендации (этот процесс продолжается и сейчас) и пока еще мало что могла вернуть обратно, разве только некоторые методы исследования и новые подходы к проблемам. Теперь же факты, добытые космической медициной и биологией, помогают лучше понять процессы жизни на Земле и взаимосвязи внутри такой сложнейшей системы, как человеческий организм.

В этом плане можно привести следующий пример – он связан с биоритмологией. Уже давно стало известно, что практически все физиологические процессы в человеческом организме имеют фазовое течение, т. е. имеют определенные ритмы. Например, температура тела к вечеру больше, чем утром, секреция желудочного сока и деятельность желез тоже имеют свою периодичность, умственная физическая работоспособность также различная в течение суток. В человеческий организм как бы заложены биологические часы, в соответствии с которыми происходит работа тех или иных систем. Это суточная периодичность, называемая циркадными ритмами, она связана с естественной сменой дня и ночи, геофизическими и социальными датчиками времени.

Существуют ли сезонные изменения физиологических процессов? С ними, например, связана тенденция к обострению некоторых заболеваний весной и осенью (язвенная болезнь и т. д.).

В космическом полете нет естественной смены дня и ночи, отсутствуют и социальные датчики времени. Таким образом, циркадная система временной организации (для бесчисленного множества функций) лишается обычных синхронизаторов, что может привести к дисинхронозу, т. е. состоянию, когда у человека снижается работоспособность, появляются различные неопределенного адреса жалобы, общая «разбитость», плохое самочувствие.

Многие, наверное, помнят подобное состояние, когда совершали перелет на самолете с востока на запад, пересекая несколько временных поясов.

Проблемы биоритмологии изучались в ходе специальных наземных исследований, а также во время полетов биологических спутников и пилотируемых космических кораблей. Подчеркнем, что космонавты Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко жили и работали на орбитальной станции «Салют-6» по московскому времени. Это было сделано для того, чтобы не сбивать их «биологические часы», не вызывать дисинхроноза, хотя для наземных служб такой распорядок работы не всегда удобен, так как связь с экипажем на ряде пунктов приходилась на ночное время, когда космонавты спали.

Познание действия биологических часов – проблема, имеющая общебиологическое значение, поскольку естественные ритмы имеются во всем животном и растительном мире. Космическая биоритмология вносит свой существенный вклад в самые фундаментальные принципы организации биологических систем. Изучение биоритмов актуально и в связи с массовыми дальними перелетами пассажирских самолетов в разных направлениях, и в связи с тем, что многочисленные категории рабочих и служащих заняты в сменном производстве, и, наконец, с тем, что во врачебной практике, даже при простом назначении времени приема лекарств, необходимо учитывать циркадные ритмы.

Есть еще один аспект практического применения результатов, которые дает космонавтика, в земной медицине. Это возможное использование условий невесомости для получения чистых биологических препаратов, что имеет громадное значение, так как побочные реакции организма (повышение температуры, болезненности и т. д.), возникающие при получении препарата, во многом зависят от того, насколько он чист, т. е. свободен от посторонних примесей. В течение последних 30 лет весьма интенсивно развивались, электрохимические методы (электрофорез) выделений и очистки биологических субстанций различной природы. Электрофорез, например, нашел широкое применение для разделения (очистки) белков, нуклеиновых кислот, микроорганизмов и т. д.

Камера для электрофореза в космических условиях представляет собой длинную узкую прямоугольную щель. Биологический субстрат, предназначенный для разделения, помещают посередине этого щелевого зазора. В невесомости отсутствует главный лимитирующий фактор процесса очистки – конвекция, кроме того, не происходит осаждения частиц. В связи с этим зазор камеры электрофоретического устройства можно увеличить в несколько раз, что позволяет значительно повысить производительность и улучшить чистоту разделения. Отсутствие осаждения позволяет проверить процесс разделения тяжелых частиц, взвешенное состояние которых нельзя было бы поддержать никакими способами в земных условиях. Результаты космических экспериментов показали, что при электрофорезе в невесомости производительность можно увеличить в 10 раз, а при улучшении качества очистки – еще в 3 – 4 раза.

Исследования по космической биологии в принципе могут помочь ответить на вопрос, веками волновавший ученых, – существует ли жизнь на других планетах и в каких формах, что при сопоставлении с известными нам формами жизни углубит наши представления о сущности развития природы, будет способствовать углублению нашего диалектического миропонимания.

Как видим, космическая биология и медицина, решая сложнейшие проблемы, выдвигаемые стремительно развивающейся космонавтикой, служит не ей одной.

Все что делается для освоения космоса, в конечном счете, приводит к улучшению жизни людей на Земле.

Ю. Г. НЕФЕДОВ,

доктор медицинских наук

Создание долговременных орбитальных станций выдвигает перед космической биологией и медициной ряд новых и весьма сложных проблем, от своевременного решения которых зависит очень многое. Сложность этих проблем обусловлена не только новизной встающих перед исследователями вопросов, но и тем, что многие из них полностью еще не решены и для обычных условий обитания человека на Земле. Одной из таких проблем является проблема обитаемости, которая в настоящее время стала предметом тщательных научных исследований, проводимых на Земле и в космическом пространстве.

В данном случае под обитаемостью мы понимаем условия жизни и профессиональной деятельности космонавтов в кабине космического корабля. Эти условия определяются как факторами, присущими космическому полету и возникающими при эксплуатации разнообразных технических средств (в том числе и систем жизнеобеспечения), так и процессами жизнедеятельности человека и других биологических систем при длительном их нахождении в герметично замкнутом пространстве малого объема. Определенное влияние на обитаемость оказывает интерьер кабины космического корабля.

Иными словами, обитаемость определяется совокупностью факторов среды, действующих в условиях космического полета на организм человека. Вполне естественно, что обитаемость зависит от конкретных условий космического полета и всегда имеет характерные черты, присущие конкретному космическому объекту. Вместе с тем некоторые проблемы обитаемости являются общими для всех космических кораблей независимо от их назначения. Наиболее общим в этом отношении является то, что человек, совершая космический полет, вынужден непрерывно в течение определенного времени находиться в герметично замкнутой кабине космического корабля. Уже само по себе это обстоятельство следует признать с физиолого-гигиенической точки зрения весьма существенным и подлежащим всестороннему изучению.

Кроме того, жизнь человека на борту космического корабля или планетной станции протекает в необычной среде обитания. Наиболее характерными чертами этой среды обитания являются невесомость или пониженная сила тяжести, наличие постоянного (заметно превышающего земной) фона галактической космической радиации, отсутствие ультрафиолетовой радиации, измененные параметры магнитных полей.

Следует подчеркнуть, что в герметичной кабине ограниченного объема между человеком и окружающей его средой складываются отношения, отличные от тех, которые имеют место в повседневной жизни. Если в обычных условиях проявляется в основном зависимость процессов жизнедеятельности человеческого организма от влияния среды, то в герметично замкнутом пространстве малого объема начинает отчетливо выступать и обратная зависимость – зависимость изменения среды от процессов жизнедеятельности организма.

Данные, полученные при проведении большого количества разнообразных «камерных» экспериментов, а также испытаний в макетах космических кораблей, убеждают в том, что одним из существенных факторов длительной изоляции человека в герметичном помещении ограниченного объема является изменение химического состава воздушной среды. При этом речь идет не об изменении состава основных ингредиентов (кислорода, азота, углекислого газа), а о загрязнении воздушной среды различными микропримесями.

В связи с этим были осуществлены широкие исследования состава воздуха, выдыхаемого человеком, и было установлено, что данный процесс является одним из основных источников загрязнения воздушной среды герметично замкнутых объектов, причем в состав его входят различные микропримеси, весьма изменчив и во многом зависит от внешних условий.

Используя современные методы калориметрии и нефелометрии, бумажной, газожидкостной и газоадсорбционной хроматографии, исследователи установили, что в выдыхаемом человеком воздухе содержится более 20 органических и неорганических соединений. Были идентифицированы и количественно определены: ацетальдегид, формальдегид, ацетон, метилэтилкетон, пропионовый альдегид, этанол, метанол, пропанол, изопропанол, муравьиная, уксусная, пропионовая, изовалериановая и валериановая кислоты, аммиак, диметиламины, метан, этан, этилен, пропан, гексан, окись углерода.

Было также установлено, что концентрация микропримесей в выдыхаемом воздухе зависит от микроклиматических условий, состава и калорийности питания, двигательной активности человека и других факторов.

Наиболее выраженные изменения обнаружены при полном голодании и при воздействии высокой температуры и влажности воздуха. Так, содержание в выдыхаемом воздухе ацетона при голодании увеличивается более чем в 300 раз, метилэтилкетона – в 20 раз, метанола – в 6 раз, концентрация других микропримесей – в 2 – 5 раз. При температуре воздуха +40° С и относительной влажности 90% содержание почти всех микропримесей в выдыхаемом воздухе увеличивается в 2 – 10 раз.

Учитывая эти данные, естественно предположить, что при воздействии на человеческий организм комплекса факторов космического полета может существенным образом изменяться скорость выделения различных примесей с выдыхаемым воздухом.

Следует отметить и то, что не только выдыхаемый воздух является источником загрязнения воздушной среды различными химическими веществами. Испарение пота, кишечные газы и т. д. также могут существенным образом влиять на общую загрязненность и состав микропримесей атмосферы герметичного объекта.

Однако человек является далеко не единственным источником образования вредных микропримесей и загрязнения ими воздушной среды. Весьма существенное влияние на формирование среды обитания могут оказывать продукты газовыделения полимерных конструкционных и декоративно-отделочных материалов, применяемых при конструировании внутреннего оборудования космических кораблей. При исследовании более 200 синтетических материалов было идентифицировано и количественно определено около 70 различных химических соединений, имеющихся в составе продуктов газовыделения этих материалов. Среди них обнаружены такие токсичные вещества, как окись углерода, эпихлоргидрин, цианистый и фтористый водород, акрилонитрил и некоторые другие. Надо отметить, что интенсивность выделения летучих веществ из полимерных материалов в значительной мере зависит от условий их эксплуатации и параметров окружающей среды. Так, при изменении удельной «насыщенности» материалов в герметичном объеме и воздействии повышенных температур обнаруживается экспоненциальная зависимость увеличения концентрации выделяемых веществ от этих факторов.

Как уже упоминалось выше, одним из существенных факторов обитаемости кабины космического корабля является постоянный (примерно на порядок превышающий земной) фон космической радиации, который при возникновении солнечных вспышек может существенно увеличиваться. Не останавливаясь на непосредственном влиянии ионизирующей радиации на организм космонавта, упомянем еще об одной из возникающих при этом проблем. Оказалось, что повышенный фон ионизирующей радиации приводит к заметному возрастанию концентрации аэроионов (по расчетам, концентрация их увеличивается примерно на два–три порядка), к появлению озона и окислов азота. Таким образом, не исключена возможность возникновения заметных сдвигов в изотопном составе кислорода и азота. А эти сдвиги могут постепенно возрастать по мере увеличения длительности космического полета.

Кроме того, с достаточным основанием можно предполагать, что под действием космической радиации различные химические микропримеси, загрязняющие воздушную среду кабины космического корабля, могут переходить в ионизированное состояние, что приводит к возрастанию их химической активности. Это, с одной стороны, увеличивает непосредственный токсический эффект действия микропримесей, а с другой – приводит к возникновению благоприятных условий для осуществления ионно-молекулярных реакций, и вследствие этого в воздушной среде могут появиться новые химические соединения, также обладающие высокой токсичностью.

Отмеченные выше проблемы требуют самого серьезного внимания, и поиски их решения возможны по крайней мере в двух направлениях. При конструировании пилотируемых космических объектов и, в частности, систем, предназначенных для обеспечения наиболее благоприятных условий обитания, следует, во-первых, использовать высокоэффективные системы очистки воздуха от всего комплекса вредных газообразных примесей и, во-вторых, осуществлять надежный контроль за содержанием отдельных, наиболее значимых в санитарном отношении химических соединений в воздушной среде кабины космического корабля. Решение последней задачи требует дополнительных физиолого-гигиенических и санитарно-химических исследований как в наземных условиях, так и непосредственно во время космического полета.

При осуществлении длительных космических полетов возникают реальные возможности для изменения микрофлоры среды обитания космического корабля и аутомикрофлоры космонавтов. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что в условиях герметично замкнутой кабины процессы удаления и рециркуляции микробов значительно изменяются по сравнению с наземными условиями. С другой стороны, длительное пребывание человека в этих условиях при одновременном воздействии ряда неблагоприятных факторов космического полета может привести к ослаблению защитных сил человеческого организма и повышению восприимчивости к возбудителям инфекций, в том числе и к представителям собственной флоры. В этой связи разработка микробиологических и иммунологических вопросов применительно к условиям длительных космических полетов имеет не только общефизиологическое, но и большое эпидемиологическое значение.

К настоящему времени накопилось достаточно данных, свидетельствующих об изменении микробной флоры среды обитания и о сдвигах в составе аутофлоры и иммунореактивности организма в условиях длительного пребывания людей в герметично замкнутом объеме. Эти данные получены как во время «камерных» экспериментов, так и в условиях космических полетов.

Было установлено, что в условиях пребывания человека в герметично замкнутом помещении ограниченного объема, имитирующем кабину космического корабля, происходит нарастание количества микроорганизмов в воздушной среде, а также на кожных покровах и слизистых оболочках испытателей. При этом (наблюдаются не только количественные сдвиги в составе микрофлоры, но и увеличение числа микроорганизмов, обладающих патогенными признаками. Это выражалось в повышении количества гемолитических форм микробов и в увеличении числа стафилококков, обладающих признаками, свойственными патогенным штаммам (продукция гемолизинов, плазмокоагулазы, гиалоронидазы, фибринолизина, лецитиназы).

Изменения микрофлоры воздушной среды, аутофлоры и иммунореактивности организма находятся в зависимости от условий обитания и продолжительности действия различных факторов среды, а также от режима труда и отдыха испытателей.

Следует подчеркнуть, что в замкнутой кабине космического корабля не исключена возможность активации микробов аутофлоры человека, поскольку условия благоприятствуют этому размножению. Экспериментальные данные подтверждают эти предположения. Так, было показано, что у штаммов стафилококка одного и того же фаготипа, обнаруженных у испытателей, участвовавших в годовом медико-техническом эксперименте, наблюдалось отчетливое повышение токсигенности и появление дополнительных патогенных признаков (продуцирование бета-гемолизинов и фибринолизина).

Был также установлен взаимообмен микроорганизмами между людьми в условиях пребывания их в герметично замкнутом объеме. Эти данные могут иметь определенное эпидемиологическое значение в условиях длительного космического полета.

Суммируя результаты исследований, полученные в многочисленных «камерных» экспериментах и непосредственно во время орбитальных космических полетов, следует отметить, что возможное распространение инфекционного начала через воздух при длительном пребывании группы людей в герметичной кабине, по-видимому, обладает рядом особенностей. В первую очередь это вызвано своеобразием видовой структуры и качественного состава аэропланктона, наличием коррелятивной зависимости между состоянием микрофлоры воздушной среды и аутомикрофлоры покровных тканей человека.

Существенное место в этой проблеме принадлежит микрофлоре внутренних поверхностей герметичной кабины. В результате санитарно-бактериологических исследований было установлено, что в герметичном помещении на внутренних поверхностях происходит интенсивное накопление микроорганизмов. Микрофлора этих поверхностей состоит из условно патогенных представителей аутомикрофлоры человека, главным образом, стафилококков и дифтероидов. В значительном количестве на поверхностях обнаруживаются микроорганизмы кишечной палочки, которые также являются постоянными обитателями организма человека.

Выживаемость отдельных представителей аутомикрофлоры человека на внутренних поверхностях герметичного помещения различна. Дифтероиды способны сохраняться на поверхностях не более ГО суток. Высокой выживаемостью (свыше месяца) обладают в этих условиях представители стафилококковой флоры, в том числе формы, обладающие отдельными признаками патогенности.

Таким образом, было установлено, что внутренние поверхности являются основным резервуаром сохранения потенциально патогенных микроорганизмов, в связи с чем возрастает их значение как фактора передачи инфекционного начала в условиях герметично замкнутых помещений. Исходя из этого, при разработке комплекса противоэпидемических мероприятий необходимо уделять особое внимание поиску средств, направленных на снижение микробного загрязнения внутренних поверхностей герметичного помещения.

В эпидемиологической практике в этих целях широко используются химические дезинфицирующие средства. Однако, учитывая условия обитания в герметично изолированных помещениях, к этим веществам должны быть предъявлены специфические требования. Дезинфицирующие средства должны обеспечивать достаточный обеззараживающий эффект, не оказывать токсического действия на организм человека при длительном применении в условиях герметичного помещения малого объема, не влиять на работу систем жизнеобеспечения и другого оборудования.

Перечисленные требования не дают возможности рекомендовать большинство известных химических дезинфицирующих средств для их использования при длительном пребывании людей в герметичном помещении. В этом отношении определенным преимуществом обладают водные растворы перекиси водорода при концентрации 3 – 6%. Однако во время годового медико-технического эксперимента было установлено, что применение 3%-ных водных растворов перекиси водорода сопровождается раздражением конъюнктивы глаз и слизистых оболочек верхних дыхательных путей испытателей. В связи с этим были проведены исследования по оценке возможности использования в герметичных помещениях 1%-ного водного раствора перекиси водорода. Экспериментальные данные показали достаточно высокую дезинфицирующую способность этого средства в отношении основных условно патогенных представителей аутомикрофлоры человека. В то же время при длительном (до 6 месяцев) применении этого средства для дезинфекции поверхностей не было выявлено его токсического действия на организм испытателей и не отмечались нарушения работы систем жизнеобеспечения и другого оборудования.

К факторам, способным оказать значительное влияние на формирование микробной флоры в среде обитания кабины космического корабля, следует отнести отсутствие или понижение силы тяжести, а также космическую ионизирующую радиацию. Предположительный характер изменений при действии указанных факторов может быть рассмотрен на примере формирования бактериального аэрозоля.

В настоящее время имеются данные (в основном теоретического характера) о том, что частицы бактериального аэрозоля в условиях отсутствия силы тяжести будут проявлять тенденцию к слипанию и образованию более крупных агрегатов. Одной из причин, способствующих агрегации частиц в воздухе космического объекта, по-видимому, является и наличие большого числа ядер конденсации, которые, вероятно, будут образовываться более интенсивно за счет повышенного уровня космической радиации. Основанием для такого вывода служат данные, свидетельствующие о том, что облучение воздуха рентгеновскими лучами, альфа- и бета-излучением приводит к образованию значительного количества ядер конденсации, содержание которых находится в прямой зависимости от дозы облучения.

Увеличение числа частиц, имеющих более крупные размеры, может приводить к повышению инфицирующей дозы и благоприятствовать передаче условно патогенных микроорганизмов.

Все это указывает на то, что разработка эффективных средств, позволяющих снижать количество микроорганизмов в воздушной среде, является одной из важнейших задач в космической медицине, и ее решение имеет самое непосредственное отношение к проблеме создания благоприятных условий обитания для длительно действующих космических объектов.

В этой статье были рассмотрены лишь некоторые аспекты обитаемости космических кораблей. Но уже на приведенных здесь примерах можно понять всю сложность и важность решения всей проблемы.

Е. Е. КОВАЛЕВ,

доктор технических наук

В процессе длительного полета космонавтов Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко на станции «Салют-6» был выполнен широкий круг важных научно-технических исследований и экспериментов. Ряд из них позволяет принципиально по-новому решить сложные проблемы обеспечения безопасности и жизнедеятельности космонавтов в космическом пространстве. И важнейшей из них с этой точки зрения была успешная стыковка со станцией одновременно двух пилотируемых кораблей, проведенная дважды.

С вводом в эксплуатацию космического транспортного грузового корабля «Прогресс» практически была решена проблема транспортно-грузовых операций на трассе Земля–орбита, необходимых для обеспечения возрастающей длительности полетов человека на орбитальных станциях.

Все это говорит о том, что современный этап развития космонавтики характеризуется значительным рас- -ширением и усложнением деятельности человека в космосе, увеличением количества одновременно работающих космонавтов и т. п. В связи с этим необходимо своевременно разрешить все вопросы, связанные с безопасностью космических полетов человека.

Определенную опасность для здоровья и жизни человека в космическом полете представляет космическая радиация. Поэтому анализ источников радиационной опасности в космосе весьма существен при обеспечении защиты экипажа космического корабля от ионизирующей радиации. Каковы же эти источники?

Открытие космической радиации относится к началу нашего века и явилось побочным результатом исследований ионизации воздуха, обусловленной радиоактивными излучениями пород Земли. Изучая зависимость ионизации воздуха от высоты над поверхностью Земли, исследователи обнаружили, что лишь на небольших высотах ионизация падает с увеличением высоты. В экспериментах на шарах-зондах (1911 – 1912 гг.) было показано, что начиная с некоторой высоты ионизация вновь возрастает и на высоте 1500 м достигает наземного уровня. В связи с этим было высказано предположение, что ионизация обусловлена действием радиации, проникающей в атмосферу Земли из космического пространства.

По современным представлениям различают три вида космической радиации: галактические космические ЛУЧИ, солнечные космические лучи и радиационный пояс Земли. Галактические космические лучи (ГКЛ) – наиболее высокоэнергетичная составляющая корпускулярного потока в межпланетном пространстве – представляет собой ускоренные до высокой энергии ядра химических элементов, среди которых преобладают ядра водорода, гелия и других легких элементов. ГКЛ по своей проникающей способности превосходят все другие виды радиации, кроме нейтрино. Для полного поглощения ГКЛ потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м.

Энергия частиц ГКЛ составляет в среднем около 10 млрд. эВ, энергия отдельных частиц может достигать 10²⁰ зВ и выше. Химический состав ГКЛ несколько отличается от состава элементов земной коры, метеоритов, а также состава атмосферы Солнца и некоторых звезд. По мере увеличения расстояния от Солнца поток ГКЛ возрастает. Это обусловлено тем, что магнитные поля в Солнечной системе препятствуют проникновению заряженных частиц ГКЛ во внутренние области Солнечной системы, в частности в окрестности Земли.

Значительная часть ГКЛ, приходящих в окрестности Земли, отклоняется ее магнитным полем и поглощается в атмосфере, толщина которой эквивалентна 10 м воды. Взаимодействуя с ядрами атомов атмосферы, ГКЛ образуют так называемые вторичные космические лучи (КЛ), в состав которых входят протоны, мезоны, электроны, нейтроны и т. д. Общий поток ГКЛ и образованных ими КЛ на уровне моря в средних широтах сравнительно невелик, так что эквивалентная доза облучения ГКЛ составляет около 30 – 40 мбэр в год и не представляет какой-либо опасности для здоровья людей.

Однако в межпланетном пространстве за пределами защитных слоев атмосферы Земли и вне зоны геомагнитного поля доза облучения ГКЛ значительно возрастает и достигает 150 – 300 мбэр в сутки, или около 50 – 100 бэр в год, что создает определенную опасность для космонавтов, особенно при длительных космических полетах к другим планетам Солнечной системы. В связи с этим конструкторы будущих космических кораблей должны предусматривать специальную защиту для экипажей этих кораблей.

Солнечные космические лучи (СКЛ) составляют высокоэнергетичную часть корпускулярного излучения Солнца и возникают при так называемых хромосферных вспышках на Солнце, представляющих собой гигантские взрывы на его поверхности, сопровождаемые выбросом части солнечного вещества, оптическими явлениями, магнитными бурями и т. д. В период интенсивных солнечных вспышек плотность потока СКЛ может в тысячи раз превысить обычный уровень плотности потока ГКЛ. Впервые событие такого рода было зарегистрировано в 1942 г. Наиболее мощный поток СКЛ был зарегистрирован во время вспышки 23 февраля 1956 г., когда плотность потока КЛ на поверхности Земли увеличилась в несколько раз, в районе Москвы, например, – в 4 раза.

СКЛ состоит из протонов, в меньшей степени из ядер гелия (альфа-частиц) и более тяжелых ядер. Относительное содержание различных компонент в составе СКЛ в общем характерно для атмосферы Солнца. Скорость выброшенных частиц такова, что в ряде случаев СКЛ достигают окрестностей Земли приблизительно через 1 ч после того, как на Солнце прошла основная стадия мощной хромосферной вспышки.

Наибольшую радиационную опасность для человека в условиях космического полета представляют протоны СКЛ, свободно проникающие через оболочку обычных отсеков современных космических кораблей. Предполагается, что энергия таких протонов равна примерно 100 МэВ. За последние два одиннадцатилетних цикла солнечной активности наблюдали более ста вспышек СКЛ, в которых присутствовали протоны с энергией около 100 МэВ или более.

Для некоторых солнечных вспышек эквивалентная доза облучения СКЛ составляет сотни, а для многих – десятки бэр за вспышку. Если при полете за пределами магнитосферы Земли космонавт будет находиться во время солнечной протонной вспышки вне космического корабля, то доза облучения, обусловленная этим источником радиации, может во многих случаях превысить смертельную. Конструкция же отсеков пилотируемого космического корабля несколько ослабляет поток СКЛ. Однако в обычных отсеках космического корабля (бытовых, рабочих и лабораторных) это ослабление невелико, и СКЛ могут представлять серьезную опасность для здоровья космонавтов.

По этой причине в одном из наиболее защищенных отсеков (обычно в спускаемом аппарате, имеющем значительную толщину тепловой защиты, предохраняющей экипаж от перегрева при возвращении на Землю) необходимо расположить оборудование так, чтобы данный отсек можно было использовать в качестве радиационного убежища. Например, при орбитальных полетах в зоне экранирующего действия магнитосферы Земли спускаемый аппарат космического корабля «Союз» оказывается достаточно надежным радиационным убежищем. Таким образом, необходимо применять специальные меры по обеспечению радиационной безопасности космонавтов при длительных космических полетах, включая создание радиационного убежища для укрытия космонавтов во время мощных солнечных вспышек, постоянное функционирование службы прогноза и контроля ухудшения радиационной обстановки и т. п.

Радиационный пояс Земли (РПЗ) – это потоки заряженных частиц (протонов и электронов), захваченных геомагнитным полем и образующих области повышенной радиации. РПЗ оказывается основным постоянным источником радиационной опасности при полетах в околоземном пространстве.

Рассматривают две области РПЗ: внутреннюю и внешнюю. Энергия протонов, составляющих внутреннюю область РПЗ, достигает нескольких сот мегаэлектрон-вольт. Эта область простирается на расстояние от нескольких сот до нескольких тысяч километров от поверхности Земли. В районе 35° ю. ш. и 325° в. д. РПЗ опускается до значительно меньшей высоты, образуя так называемую Южно-Атлантическую аномалию. Потоки протонов РПЗ в области аномалии составляют основной источник радиационной опасности при космических полетах по орбитам, расположенным ниже РПЗ.

В центральной зоне внутренней области РПЗ, находящейся на расстоянии 2000 – 3000 км от поверхности Земли, мощность эквивалентной дозы облучения протонами РПЗ достигает нескольких сот бэр в сутки, так что радиационная опасность в этой области пространства исключительно большая. Полет пилотируемых космических кораблей в центральной зоне внутренней области РПЗ невозможен без специальной защиты космонавтов. Вместе с тем кратковременное пересечение РПЗ вполне допустимо, особенно если трасса полета не проходит через его центральную зону или если экипаж в момент пересечения пояса находится в более защищенном отсеке.

При уменьшении высоты круговой орбиты над поверхностью Земли до 400 – 500 км радиационная опасность резко уменьшается и соответственно увеличивает- -ся допустимая продолжительность полетов пилотируемых космических кораблей без специальной защиты.

Пространственное распределение электронов РПЗ характеризуется двумя четко выраженными максимумами, первый из которых находится во внутренней области пояса на расстоянии около 3000 км, а второй – во внешней области пояса на расстоянии около; 22 000 км от поверхности Земли. Вблизи первого максимума мощность эквивалентной дозы облучения достигает десятков и даже сотен тысяч бэр в сутки, так что радиационная опасность от электронов РПЗ в этой области околоземного пространства исключительно высока. Вблизи второго максимума мощность эквивалентной дозы облучения примерно на порядок ниже и составляет около 10⁴ бэр в сутки.

Высокие значения мощности эквивалентной дозы облучения электронами РПЗ (без специальной защиты обитаемых отсеков космических кораблей) характерны для значительной части околоземного пространства. Это необходимо учитывать как при планировании выхода космонавтов в открытый космос в этой части околоземного пространства, так и при создании радиационной защиты обитаемых отсеков орбитальных станций.

Итак, степень радиационной опасности сильно зависит от траектории и продолжительности полета космического корабля. При полетах длительностью в один–три месяца в околоземном космическом пространстве ниже РПЗ Земли радиационное воздействие на экипаж за год сравнимо с уровнями облучения при профессиональной деятельности в земных условиях, связанной с ядерно-техническими установками. Так, при 84-суточ-ном полете на орбитальной станции «Скайлэб» доза облучения экипажа достигала 10 – 15 бэр, а при 96-суточном полете на станции «Салют-6» эта доза составила около 3 бэр. Для сравнения укажем, что годовая допустимая доза облучения, регламентируемая нормами радиационной безопасности для профессиональной деятельности в земных условиях, составляет 5 бэр.

Меньшее значение дозы облучения для экипажа станции «Салют-6» при большей длительности его полета объясняется более низкой орбитой советской станции. На относительно низких орбитах полета станции радиационная обстановка в ее отсеках лучше, но при этом требуется больше топлива для коррекции высоты орбиты, поскольку на низких орбитах торможение в остаточной атмосфере более существенно. Длительному функционированию станции «Салют-6» на такой орбите способствовало осуществление доставки топлива для коррекции высоты орбиты с помощью грузового космического корабля «Прогресс-1». Можно сказать, что именно запуск этого грузового космического корабля помог в несколько раз снизить дозу облучения первого основного экипажа станции «Салют-6».

При дальнейшем увеличении длительности полета пропорционально возрастает доза облучения ГКЛ, почти неослабляемого конструкциями корабля, а также появляется опасность облучения в результате нескольких солнечных вспышек. В этом случае уже не представляется возможным обеспечить необходимую защиту экипажа только путем рациональной компоновки отсеков корабля и требуется дополнительная масса вещества для создания специальной защиты. При полете в межпланетном пространстве длительностью до года вес дополнительной защиты радиационного убежища составит несколько тонн. Причем такие затраты веса оправдываются только в том случае, если космонавты успевают вовремя укрыться в этом убежище. С этой точки зрения нерегулярный характер случаев ухудшения радиационной обстановки от солнечных вспышек представляет особую проблему.

Широкие исследования солнечной активности, и особенно солнечных вспышек, выполняемые разнообразными астрофизическими методами, в том числе наблюдения, проводимые непосредственно на борту орбитальных станций, создали основу для прогнозирования радиационной опасности, связанной с отдельными явлениями такого типа. Для постоянного контроля и прогноза радиационной опасности и разработки оперативных рекомендаций по защитным мероприятиям, выполняемым экипажем, в нашей стране создана Служба радиационной безопасности космических полетов, которая, в частности, обслуживала полет станции «Салют-6».

Таким образом, радиационная опасность при космических полетах может быть снижена. Основные способы достижения этой цели – создание защиты и проведение оперативных мероприятий на основе контроля и прогноза радиационной обстановки на трассах полета космических кораблей и станций. Для их реализации необходима затрата значительных ресурсов (весовых, энергетических, финансовых), которые требуют рационального, оптимального распределения. Поэтому для того, чтобы обеспечить безопасность полета в целом, необходимо решить вопрос о мере безопасности. Другими словами, вопрос в том, что принимать за меру опасности и каким должно быть ее граничное значение, отделяющее безопасные условия от опасных. Решение этого вопроса достигается усилиями специалистов по обеспечению радиационной безопасности, радиобиологии, физике противорадиационной защиты.

Проблема обеспечения безопасности космических полетов обусловлена, как уже указывалось выше, наличием источников опасности для здоровья космонавтов, с одной стороны, и существующими в настоящее время ограничениями массы космических объектов – с другой. Это вынуждает при планировании космических полетов искать компромисс между имеющимися возможностями ракетно-космической техники и способностью человека выполнить заданную программу полета в условиях повышенного (по сравнению с обычными земными условиями) уровня риска для его здоровья и жизни.

Технические возможности по осуществлению запусков в космос не позволяют в настоящее время снабдить космонавтов такой же защитой, какой защищен персонал ядерно-технических установок в земных условиях. Проблема радиационной защиты экипажей космических кораблей оказывается очень сложной также и вследствие того, что во время полета возможны значительные отклонения (вариабильность) радиационной обстановки от среднего уровня. Эти отклонения могут быть связаны как с вероятностным характером действия источников радиации, так и с возможностью возникновения потенциально опасных ситуаций на самом корабле. В целом это приводит к конечной вероятности превышения любого значения дозы радиационного облучения, установленного в качестве критерия радиационной безопасности для условий космического полета. Следует также учесть, что проявления радиобиологических эффектов вследствие естественной вариабильности также носят вероятностный характер. Поэтому становится ясным, что регламентированное значение дозы облучения не может быть однозначной мерой радиационной безопасности, и адекватной мерой радиационной безопасности следовало бы признать вероятность неблагоприятных последствий.

Именно исходя из необходимости ограничить социально значимые последствия при воздействиях космической радиации, как, например, снижение работоспособности и сокращение продолжительности жизни человека, разработаны «Временные нормы радиационной безопасности космических полетов» – ВНРБ-75. Эти нормативы утверждены Министерством здравоохранения СССР и определяют требования к обеспечению радиационной безопасности как при проектировании защиты, так и при осуществлении космических полетов длительностью до одного года.

Нельзя не отметить большого значения этого документа для развития отечественной космонавтики и космической медицины. Создатели космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций получают практические ориентиры – нормативные уровни радиационного воздействия в зависимости от длительности пребывания человека в космическом пространстве. Для космической медицины появляется возможность интеграции отдельных систем жизнеобеспечения и безопасности полета в единый комплекс медицинского обеспечения.

Следует также подчеркнуть, что в утвержденных нормативах воплощен обобщенный опыт обеспечения радиационной безопасности космических полетов, накопленный как в нашей стране, так и в США. При разработке этих нормативов использовались клинические материалы по радиационным воздействиям в профессиональных условиях, при клиническом применении лучевой терапии, результаты комплексных экспериментов и исследований биологического действия протонов и многозарядных ионов на ускорителях заряженных частиц, данные радиобиологических космических исследований, а также рекомендации Международной комиссии по радиационной защите и нормативы радиационной безопасности, применяемые в СССР.

ВНРБ-75 распространяются на все радиационные факторы, которые в условиях космического полета могут воздействовать на экипаж пилотируемого летательного аппарата любого назначения. Среди наиболее важных положений этого документа можно отметить следующее. «Нормативный уровень радиации – величина суммарного эквивалента дозы радиации за время космического полета, которая в свете современных представлений не приводит к существенному для выполнения программы полета снижению работоспособности участников космического полета и к появлению неблагоприятных последствий после его завершения».

Общие принципы, положенные в основу ВНРБ-75, таковы:

космические полеты человека относятся к виду деятельности с высоким общим уровнем риска;

космические полеты осуществляются в условиях возможного неблагоприятного воздействия многих факторов, включая радиацию;

успешное осуществление программы космического полета определяется условием сохранения работоспособности экипажа в заданных пределах;

система обеспечения безопасности предназначена для сохранения здоровья и жизни участников космических полетов и ограничения риска неблагоприятных последствий;

с учетом общего количества участников космических полетов в предстоящий период генетические эффекты действия радиации практически исключаются.

Исходные радиобиологические предпосылки, использованные при разработке ВНРБ-75, заключаются в следующем. Во-первых, при суммарной дозе стандартного облучения, составляющей 70 – 100 рад, и мощности дозы не более 20 рад в год не достигаются дозы, обусловливающие формирование клинически выраженных проявлений лучевого заболевания даже со стороны наиболее поражаемых органов /и систем. Во-вторых, при суммарных дозах стандартного облучения порядка 100 – 150 рад и мощности дозы облучения 20 – 50 рад в год могут возникать у некоторых людей (20 – 30%) «стертые» проявления заболевания. Сроки формирования подобного синдрома затягиваются до 2 – 5 лет от начала облучения (симптомы лучевого повреждения выражены слабо). В-третьих, при суммарных дозах стандартного облучения более 150 – 400 рад и мощности дозы облучения больше 100 рад в год у 80 – 90% людей развивается клинический синдром хронической лучевой болезни с вовлечением в реакцию большинства органов и систем. Формирование синдрома происходит в первые 1 – 2 года. Нарушения, требующие госпитализации по клиническим показаниям, очень ограничены и встречаются в единичных случаях.

Главную часть ВНРБ-75 составляют нормативные уровни радиации при космических полетах. Для проектных расчетов защиты экипажей космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций установлены следующие нормативные уровни радиации (НУР) в зависимости от длительности космического полета (Т):

Т, месяцы	1	2	3	4	5	6	8	10	12
НУР, бэр за полет	50	65	80	90	100	ПО	125	140	150

Эти значения относятся к равномерному общему облучению всего тела и к воздействию на костный мозг. В расчетах защиты эффективную глубину залегания костного мозга принимают равной 5 см ткани. В случае неравномерного облучения тела используются следующие множители: кожа – 3, хрусталик глаза – 1,5 и гонады – 0,5. Для того чтобы получить нормативные уровни радиации при расчетах защиты в общем случае неравномерного облучения тела, нужно значения НУР, приведенные в таблице, умножить на эти множители.

Расчет защиты проводится так, чтобы радиационное воздействие на любой из указанных органов не превышало соответствующего значения НУР. Например, защита экипажа от радиации при длительности его пребывания в космосе 3 месяца должна быть такой, чтобы радиационное воздействие на все тело (равномерное облучение) не превышало 80, на костный мозг – 80 да кожу – 240, хрусталик глаза – 120 и гонады – 40 бэр. Таким образом, доза облучения первого основного экипажа станции «Салют-6» не превышает примерно 1/27 НУР для полетов такой длительности.

Наряду с ограничением уровня радиационного воздействия на экипаж за время полета в ВНРБ-75 содержатся и требования к надежности защиты от радиации при космических полетах. При этом надежность защиты пилотируемого летательного аппарата определена как «вероятность непревышения нормативного уровня радиации в условиях данного полета». Хотя требования к надежности защиты от радиации при космических полетах устанавливаются в зависимости от назначения пилотируемого летательного аппарата, однако во всех случаях надежность защиты должна быть не ниже 0,99 при доверительной вероятности 0,90. Это означает, что, например, при длительности полета в один год риск превышения нормативного уровня радиации, составляющего не более 150 бэр за такой полет, не должен превышать 1% при «риске заказчика» 10%.

Неопределенность в исходных данных при расчетах защиты, а также неопределенности, связанные с условиями эксплуатации данного летательного аппарата и т. п., выражаются величиной «риска заказчика» – вероятностью реализации (во время данного космического полета) таких ситуаций, при которых надежность защиты от радиации оказывается ниже требуемого уровня, или соответствующим значением доверительной вероятности.

Использование в качестве критерия не только значения дозы облучения, но и вероятности ее превышения позволяет создателям космического корабля правильнее распределять ограниченные весовые ресурсы на отдельные системы корабля и учитывать не только средние характеристики радиационной обстановки на трассе, но и вероятные отклонения от этих средних величин. Такой подход позволяет оптимизировать распределение ресурсов корабля и определять целесообразность весовых затрат на повышение надежности радиационной защиты.

При таком подходе создание защиты экипажей космических кораблей от ионизирующей радиации становиться в один ряд с другими техническими проблемами обеспечения жизнедеятельности человека в космосе, успешное решение которых зависит в конечном итоге от выделенного весового ресурса. В целом же в пре делах указанной длительности полета современный уровень ракетной техники, космонавтики, космической медицины и технической физики обеспечивает успешное решение проблемы радиационной безопасности экипажей космических кораблей.

Н. П. ДУБИНИН,

академик АН СССР

Полеты в космос по праву относятся к величайшим завоеваниям человечества. Они начаты учеными, техниками и рабочими нашего государства. Среди задач вставших перед проблемами космоплавания, имеются вопросы из области биологии и генетики. Не преувеличивая, можно сказать, что от решения вопросов биологии и генетики зависит проникновение человека во Вселенную.

Уже основоположнику космонавтики Константину Эдуардовичу Циолковскому было ясно, что кроме технических задач, связанных с осуществлением мечты человека о полетах к другим мирам, необходимо решить целый ряд как медицинских, так и биологических проблем. Человек в космическом полете сталкивается с влиянием факторов, не типичных для условий Земли, таких, как перегрузки, вибрация, космическая радиация, электростатические и электромагнитные поля. Кроме того, на космическом корабле ему приходится жить и работать в условиях невесомости, т. е. в условиях, качественно отличных от тех, что имеются на Земле.

Участвуя в работе Всесоюзной конференции по изучению стратосферы в 1964 г., С. П. Королев ратовал за развитие биологических исследований в космосе. При организации полетов С. П. Королев всегда находил место на кораблях для биологических объектов, и создание специальных биологических искусственных спутников проходило под его наблюдением. Незадолго до кончины С. П. Королева автор этих строк беседовал с ним о проблеме космической биологии и генетики. Главный конструктор живо интересовался этими вопросами и предсказывал им большое будущее.

Значение космических исследований по биологии и генетике действительно очень велико. Необходимо выяснить, как влияют факторы космического полета на живой организм, на все его системы, а также на структуру и функционирование клетки. Клетки человека и других существ содержат генетическую информацию в виде молекул ДНК, локализованных в хромосомах. От полноценности функционирования генетической информации в клетках человека зависит его здоровье. При поражении ДНК в зародышевых клетках будет рождаться уродливое потомство. Это и определяет значение материалов по космической генетике, ибо данная наука изучает влияние факторов космического полета на наследственный аппарат в клетках.

Первая попытка послать живые организмы в космос принадлежит советскому ученому Г. Г. Фризену. В 1935 г. сотрудник Отдела общей генетики Института экспериментальной биологии в Москве Г. Г. Фризен послал в стратосферу самцов дрозофилы (линии Нальчик) на стратостате «СССР-1-бис». Я хорошо помню все обстоятельства этого опыта. Линия дрозофилы Нальчик была выведена автором этих строк во время экспедиционных работ по генетике популяций дрозофилы, и Г. Г. Фризен советовался с ним по вопросам постановки и проведения опыта. Позже мы все были огорчены, убедившись, что полет на стратостате не привел к появлению генетических эффектов у особей дрозофилы, испытавших влияние условий стратосферы. Позже, в том же году, американские исследователи послали в стратосферу дрозофилы и споры грибов на аэростате «Эксплорер-2». Этот эксперимент также показал, что кратковременное пребывание в стратосфере живых организмов не привело к индукции у них генетических изменений. С этих опытов начался первый этап космических биологических исследований, которые продолжались вплоть до 1960 г,

В США наряду с воздушными шарами использовались ракеты «У-2» и «Аэроби», достигшие высот 85.– 155 км (с пребыванием в стратосфере около 30 мин). Посылались дрозофилы, мучнистые хрущи, нейроспора, клетки дрожжей, семена кукурузы, горчицы, ячменя, луковицы лука, а также яйцеклетки и сперма морского ежа, яйца карликовой креветки, мыши и обезьяны. Все эти опыты дали отрицательный результат. Исключением стали данные по депигментации черных волос на коже мышей, а также гибель яиц карликовой креветки. В этих случаях был обнаружен очень своеобразный биологический эффект. Так, в случае с яйцами карликовой креветки было показано на основании анализа фотоэмульсионного слоя, что гибель яиц явилась следствием прямого попадания тяжелых частиц.

Современный этап исследований по космической генетике начался с 1960 г. и был обусловлен появлением первых советских искусственных спутников Земли. С тех пор прошло около 20 лет, именно в это время оформились новые научные дисциплины – космическая биология и космическая генетика. Историю космических исследований можно разделить на два периода. Первый проходил в течение 1960 – 1971 гг., и начался с полета 2-го космического корабля-спутника. На его борту находились дрозофилы и другие объекты, генетический анализ которых проводился в лаборатории радиационной генетики Института биофизики АН СССР, а затем и в лаборатории космической генетики Института общей генетики АН СССР.

В течение первого периода осуществлялся поиск соответствующих биологических объектов, а также методов исследования, пригодных для опытов в специфических условиях космоса. Важнейшей научно-практической задачей стала биологическая индикация околоземных трасс космических полетов, т. е. оценка возможной опасности воздействия космических условий на космонавтов. Генетические методы должны были дать ответ на вопрос, доступны ли условия пребывания в космосе для людей в отношении их безопасности на клеточном уровне и на уровне молекул ДНК. Проведенные эксперименты дали положительный результат, на основании которого космическая генетика взяла на себя ответственность за то, что генетический код человека и биосинтез на клеточном уровне во время полетов кораблей (по околоземным орбитам) не испытывают поражений при небольшой длительности (до трех месяцев) полета.

Исследования по космической генетике проводились на пилотируемых и автоматических космических летательных аппаратах, имеющих разные параметры орбит (орбитальные полеты, полеты по трассе Земля – Луна – Земля) и разную продолжительность полета – от нескольких часов до нескольких месяцев. Большое значение имело то, что в Советском Союзе, начиная с 1960 г., появились специализированные биологические спутники. Это касается 2-го и 4-го космических кораблей-спутников. Затем в СССР были запущены специализированные биологические спутники «Космос-110, -605, -782, -936». В США удачные эксперименты были проведены на спутнике «Биос-2». Предполагается, что дальнейшее развитие биологических исследований в США будет осуществляться с помощью многоразового космического корабля.

Основными объектами исследований по космической генетике были следующие: бактерии, низшие растения (хлорелла, хламидомонада), высшие растения (крепис, арабидопсис, ячмень, салат, горох), насекомые (дрозофила, хабробракон, триболиум), амфибии (ксенопус), рыбы (гуппи, данио рерио), мыши и крысы. Коренным образом изменилось техническое оснащение экспериментов, в частности, на советских спутниках было налажено термостатирование биологических объектов, что было обусловлено созданием приборов типа «Биотерм», «Биокат», «Термоконт». Были сконструированы приборы для культивирования микроорганизмов, разработана аппаратура, позволяющая проводить фиксацию развивающихся икринок рыб и прорастающих семян в условиях невесомости, создана бортовая оранжерея «Оазис».

В опытах на борту космических кораблей используются искусственные облучатели и центрифуги для изучения влияния невесомости и ее взаимодействия с ионизирующей радиацией.

Полетные эксперименты показали, что как отдельные факторы космического полета, так и их комплексное воздействие способны вызывать различные изменения в строении и функционировании наследственного аппарата организмов разного уровня организации. Были , обнаружены следующие изменения: инактивация клеток; появление генных и хромосомных мутаций; возникновение потенциальных повреждений, которые лишь спустя некоторое время реализуются в мутации; нарушения протекания митоза. Все это указывает на то, что факторы космического полета способны вызывать весь объем генетических изменений в хромосомах.

Примечательной особенностью генетических поражений, возникающих в условиях космоса, была их пространственная неравномерность. Среди живых объектов в полете на фоне общего сохранения нормальных со стояний были зарегистрированы высокие уровни поражений у отдельных клеток или групп клеток. В данном случае, по-видимому, сквозь пространственное расположение материала локально пролетали высокоэнергетические частицы космической радиации. Это же было причиной появления множественности повреждений хромосомного аппарата в пределах отдельных клеток. Существенным было и обнаружение того, что невесомость может нарушать клеточное деление (механизм митоза), вызывая нерасхождение хромосом и другие эффекты. Кроме того, невесомость и динамические факторы оказались способными модифицировать мутагенные воздействия от ионизирующей радиации и алкилирующих соединений, вызывая при одних условиях усиление, при других – ослабление мутагенных эффектов.

Анализ полученных материалов показал, что влияние факторов космического полета на наследственные структуры следует различать по характеру их действия. Такое влияние может быть и прямым и косвенным. Прямым действием обладали тяжелые ионы космической радиации – при инактивации клеток и при индукции мутаций хромосом и генов. То же можно сказать и о действии условий невесомости на протекание процессов клеточного деления. Косвенно факторы полета влияли на репарационные системы клеток, что оказывало модифицирующий эффект на процессы появления мутаций. Например, динамические факторы, по-видимому, подавляют дыхательные ферменты, а это снижает радиочувствительность клеток. При предварительном облучении семян креписа поражение репарационных систем создавало условия, при которых факторы полета усиливали радиационный эффект.

Особое значение следует придать тому факту, что все типы генетических последствий, наблюдавшихся в клетках и организмах в результате их пребывания в космосе, возникали как редкие события (в количественном отношении они не воспроизводятся от полета к полету). Это обстоятельство явилось причиной того, что в пределах различий, достигнутых в осуществленных космических экспериментах, генетические эффекты не показали корреляции ни с длительностью пребывания организмов в условиях невесомости, ни с дозой ионизирующей радиации при различных полетах.

Таким образом, на основании данных о низком уровне, на котором появлялись генетические изменения, можно заключить, что пребывание космонавтов на космических кораблях в течение времени совершаемых до сих пор полетов не представляет опасности для жизнедеятельности их организмов на клеточном уровне. Было установлено, в частности, что факторы полета на околоземной орбите ниже поясов радиации (при отсутствии вспышек на Солнце) длительностью до трех месяцев не вызывают ощутимых изменений в генетическом аппарате клеток.

Второй период исследований по космической генетике начался в 1971 г. и продолжается по настоящее время. Начало этому периоду положило создание долговременных орбитальных станций: в 1971 г. была запущена советская орбитальная станция «Салют», затем последовали запуски других орбитальных станций. Биологические эксперименты проводились на станциях «Салют-4, -5 и -6» и на американской орбитальной станции «Скайлэб».

Для второго периода биологических космических исследований характерны свои особенности проведения полетных опытов: возросли Г) длительность экспериментов, 2) габаритно-весовые возможности, 3) доля уча-!стия в проведении экспериментов со стороны космонавтов.

Активное участие космонавтов позволяет по-иному осуществлять эксперименты в космосе. Примером успешной работы при участии космонавтов на станции «Салют» являются исследования, проведенные на научных комплексах «Салют-6», «Союз-26», «Союз-27», «Прогресс-1». Биологические исследования для этих полетов разрабатывались рядом советских институтов и включали в себя две международные программы.

Институт общей генетики АН СССР при участии космонавтов Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко провел следующие эксперименты.

1. В ходе эксперимента с плодовой мушкой (дрозофилой) предполагалось исследовать состояние ее наследственного аппарата после длительного пребывания В условиях космического полета. Длительность эксперимента составляла 91 сутки. На борту «Салюта-6» находился контейнер с личинками Дрозофилла Меланогастер линии Д-32 в возрасте около 48 ч, который размещался в термостате «Биотерм-2М», созданном ленинградскими учеными. После полутора месяцев пребывания космонавты провели пересадку их в новый контейнер со свежей питательной средой. Эти мухи дали хорошее потомство в невесомости – 38 самцов и 30 самок, которые и были доставлены на Землю для исследования.

2. Следующий эксперимент проводился с проростками растения Крепис Капиллярис с целью изучить влияние невесомости на клеточное деление и частоту перестроек хромосом. Сухие семена креписа после пребывания в условиях космического полета в течение 33 суток были пророщены, для чего космонавты в специальном приборе «Биофиксатор-1» смочили их водой. Через 35 ч после замачивания семян проростки были зафиксированы смесью уксусной кислоты со спиртом и после приземления доставлены в лабораторию. Операции проращивания и фиксации семян в невесомости позволяют вычленить этот фактор и изучить влияние невесомости на частоту перестроек хромосом. Опыт проводился в термостате «Биотерм-4».

3. На орбитальной станции «Салют-6» в течение 49 суток экспонировались воздушно-сухие семена Крепис Капиллярис и Арабидопсис Талиана с целью изучить модифицирующее влияние экстремальных факторов полета на радиационный эффект. Для этого одна часть семян перед полетом, а другая – после полета были подвержены облучению: крепис – дозой 3 кР, арабидопсис – дозой 30 кР.

4. Совместно с Институтом эволюционной физиологии и биохимии им. Сеченова и МГУ проводился эксперимент с амфибиями. Он был посвящен изучению ранних этапов онтогенеза позвоночных. В эксперименте использовалась развивающаяся икра африканской лягушки Ксенопус Левис. В этом эксперименте основное внимание было сосредоточено на том, как формируется вестибулярный аппарат у личинок амфибий. Данный опыт явился логическим продолжением серии экспериментов, проведенных на орбитальных станциях «Са-лют-4» и «Салют-5». Тогда было показано, что невесомость влияет на формирование этого жизненно важного органа. В настоящем же, более продолжительном эксперименте зафиксированные личинки сейчас тщательно исследуются под электронным микроскопом. Предполагается выявить эффекты невесомости на уровне структур клеток вестибулярного аппарата.

С участием космонавтов В. Ремека и А. А. Губарева борту научного комплекса «Салют-6» – «Союз-27» – «Союз-28» был осуществлен совместный советско-чехословацкий эксперимент «Хлорелла-1». Этот эксперимент был разработан специалистами Института молекулярной биологии и генетики АН УССР, Института медико-биологических проблем МЗ СССР и Института микробиологии АН ЧССР. Одна из использованных в опыте линий хлореллы – ЛАРГ-1 – была создана в Институте общей генетики АН СССР. В этом опыте изучалось размножение этих одноклеточных водорослей в условиях космического полета, которое сравнивалось с параллельным модельным опытом по размножению хлореллы в контрольном наземном эксперименте.

Культура хлореллы представляет собой большую ценность для системы жизнеобеспечения, так как ее клетки, обладая большой фотосинтетической активностью, являются и регенераторами кислорода, и одновременно, обладая большим количеством белка, могут служить пищей. Было установлено, что условия невесомости и другие, действовавшие на культуру хлореллы на борту орбитальной станции, не изменили темпа размножения клеток этих водорослей. Тот факт, что хлорелла не изменила темпа размножения в космических условиях, позволяет надеяться на ее устойчивость в качестве компоненты системы жизнеобеспечения для космических кораблей.

Вторым международным, советско-французским, экспериментом, проведенным на станции «Салют-6», был эксперимент «Цитос». Цель этого опыта – изучение влияния факторов космического полета на кинетику клеточного деления у простейших организмов и бактерий. Представителем простейших была избрана инфузория – парамеция, туфелька, которая представляет собой объект, детально изученный как цитологами, так и генетиками. Это обеспечивало возможность тонко уловить изменения и размножения парамеций в космических условиях. Испытывался в эксперименте и протей – палочковидная грамотрицательная бактерия (в греческой мифологии Протей – божество, способное многообразно менять облик), клетки которой очень полиморфны. Они быстро реагируют на изменения условий, что и позволяет изучать влияние на них условий космического полета.

Парамеции и протей отдельно помещались в герметичные пакетики из двухслойного полиэтилена емкостью 1,5 мл. В 128 таких пакетиках были помещены клетки парамеций (французский материал), в 32 – клетки протея (советский материал). Для доставки этих биоматериалов на космодром из Москвы использовался прибор «Термоконт-2», сохраняющий температуру в пределах 8 ± 1°С. На корабле «Союз» материал помещался в прибор «Биотерм-8», который сохранял ту же температуру (оба эти прибора были разработаны ленинградскими учеными).

На станции «Салют-6» биоматериал переносился в прибор «Цитос», разработанный фирмой TEE в Тулузе. Этот прибор сохранял температуру в пределах 25 ± 1°С, что обеспечивало нормальные температурные условия для размножения парамеций и протея. Во время полета космонавты через каждые 12 ч производили фиксацию биоматериала на протяжении всего опыта, длившегося в течение 4 суток.

Предварительные данные, полученные при сравнении темпа деления клеток в живых культурах во время полета на корабле «Салют-6» с темпом деления клеток в культурах наземного синхронного модельного контрольного опыта, свидетельствуют о наличии тенденции к стимуляции процесса клеточного деления как у парамеций, так и у протея под влиянием условий космического полета. Этот факт имеет принципиальное значение, так как он указывает на то, что в условиях невесомости процессы синтеза белков в клетках парамеций и протея идут с большей интенсивностью. Дальнейший анализ этого деления поможет выяснить особенности протекания жизненных явлений в условиях космоса.

Эксперимент «Цитос» был подготовлен учеными Института медико-биологических проблем МЗ СССР, Института молекулярной биологии и генетики АН УССР и Национального центра космических исследований Франции и Тулузского университета им. П. Сабатье.

Среди важнейших задач космонавтики особое место занимает поиск внеземной жизни и в случае ее обнаружения – изучение ее молекулярных, генетических и организменных основ. Такие поиски уже начались. Так, изучение лунного грунта показало, что на Луне нет и никогда не было жизни. В свете данных, полученных помощью станций «Викинг» на поверхности Марса, можно сказать, что высокоорганизованной жизни, хотя бы в какой-то мере подобной аналогичной жизни на Земле, на этой планете нет. Результаты биологических экспериментов с марсианским грунтом не дают доказательств существования в нем живых микроорганизмов. Вместе с тем они и не исключают полностью возможность существования там живых организмов.

Вопрос о том, существует ли внеземная жизнь, имеет крупнейшее научное и философское значение. Для появления жизни необходимы условия, которые создаются химической эволюцией. Однако жизнь – это не просто особое сочетание процессов, порознь идущих в неорганическом мире. В живой системе возникли такие особенности информативного взаимодействия веществ, которых нет в неживой природе. Как осуществился этот скачок, в какой мере случайное пересечение разных процессов, давшее новый тип их взаимодействия, привел к появлению качественно новой системы, остается неизвестным.

Во всяком случае приходится признать, что в пределах Солнечной системы наличие жизни, по-видимому, свойственно только планете Земля. Никаких следов существования разумных существ за пределами Солнечной системы мы также не имеем. Эти факты необходимо учитывать как при построении теорий о происхождении жизни на Земле, так и для оценки столь важного явления, как жизнь, и затем возникшего на ее основе сознания. Следует считаться с возможностью того, что эти события являются уникальными.

Полезно отметить, что наряду с громадным значением исследований по космической генетике для развития фундаментальных проблем генетические исследования, проводившиеся вначале только для целей космоплавания, сейчас находят выход в практику народного хозяйства. В качестве примера можно привести одно из направлений космической генетики – селекцию продуктивных форм водорослей, которую осуществляли с Целью создания форм с высокими способностями к фотосинтезу, необходимых для систем жизнеобеспечения космических кораблей. В частности, полученный в Институте общей генетики АН СССР высокопродуктивный штамм хлореллы ЛАРГ-3 и его модификация ЛАРГ-3М используются в ряде заводских и полупромышленных установок Узбекистана, Украины, Подмосковья при производстве кормовых добавок для сельскохозяйственных животных.

Изучение влияния факторов космических полетов т. е. специфических условий жизнедеятельности в космическом корабле, потребовало использования и разработки специальных тест-объектов, достаточно чувствительных, чтобы уловить изменения, возникающие в этих условиях. Один из таких объектов – одноклеточная водоросль хлорелла – в этом отношении нашла применение и на Земле, она введена в набор тест-систем, используемых при анализе мутагенных факторов среды. Предусматривается возможность использования некоторых организмов и тех приемов, которые применяются в системах жизнеобеспечения, для создания биологических методов очистки от загрязнителей, попадающих в среду, окружающую человека.

На современном этапе перед исследованиями по космической генетике стоят четыре главные проблемы. Биологическая индикация околоземных трасс открыла человеку дорогу в космос. Предстоят длительные полеты космонавтов и, в частности, полеты к планетам, которые могут продлиться многие месяцы. Таким образом, необходим прогноз, нужны дополнительные эксперименты, которые позволили бы понять генетические последствия от сверхдлительных полетов как для космонавтов, так и для организмов-компонент системы жизнеобеспечения. Решение этой проблемы потребует фундаментальных исследований по генетическим и биологическим механизмам действия космических излучений и невесомости.

В условиях длительных полетов необходима устойчиво работающая система жизнеобеспечения. Для решения этой задачи важны генетические подходы. Требуется генетико-селекционная работа с организмами, которые будут компонентами этой системы. Необходимо, кроме того, изучение влияния космических условий не только на отдельные клетки и их группы, как это делалось до сих пор. Встают проблемы генетики популяций организмов и анализа взаимосвязей особей разных видов в сообществах, на которые будут длительно влиять условия космоса. Это качественно новая задача, требующая новых методических подходов.

Длительные полеты могут быть связаны с накоплением поражений в генетическом аппарате космонавтов и других организмов-компонентов системы обеспечения корабля. Поэтому необходимо разработать методы защиты и охраны генетических программ на уровне клеток и организмов.

Проблема «Генетика и космос» еще находится в колыбели, у истоков своего развития. 12 апреля 1961 г., когда Ю. А. Гагарин послал свои позывные на Землю, пролетая над ней на советском космическом корабле, многое было еще не ясно. По-прежнему впереди необъятные задачи освоения Вселенной, и чтобы успешно их решить, необходимо знать, в чем же выражается взаимодействие землян и земных организмов с космическими условиями.

Е. А. ИЛЬИН

кандидат медицинских наук

Г. П. ПАРФЕНОВ,

кандидат биологических наук

В течение длительного периода времени методы, которыми владела биология, позволяли изучать явления жизни в строго ограниченных пространственных пределах биосферы Земли и в несколько менее ограниченных, чем сейчас, временных пределах. Создание космических летательных аппаратов, способных превысить первую и вторую космические скорости и покинуть пределы Земли, дали возможность изучать природу и свойства живых организмов новыми, ранее недоступными методами и в несколько иных измерениях пространства и времени.

Пока, к сожалению, нельзя искусственно воспроизвести на Земле такие существенно важные и новые для биологов факторы среды обитания в космических полетах, как длительное состояние невесомости, совокупное воздействие невесомости и ионизирующих излучений, отсутствие привычной циркадной ритмики и т. д.

Эти факторы имеют и другие особенности, благодаря которым их изучение представляет исключительный биологический интерес. Во-первых, действие этих факторов во время космических полетов является непрерывным и практически неизменным. Во-вторых, земные организмы за всю историю своего существования и эволюции не сталкивались с ними. Наконец, экспозиция к их воздействию не вызывает ни немедленной гибели, ни острой патологии, в связи с чем можно проводить точные и разнообразные биологические эксперименты.

Следовательно, специфика основных факторов, характерных для космических полетов, открывает уникальные возможности для изучения на борту космических летательных аппаратов таких кардинальных вопросов биологической науки, как роль силы тяжести в возникновении жизни и реализации жизненных процессов, детерминированность индивидуального развития, уникальность биологической эволюции на Земле и т. д. Помимо возможности изучения указанных теоретических вопросов биологические эксперименты в космических полетах внесли и продолжают вносить существенный вклад в решение практических проблем, связанных с освоением человеком космического пространства. Так, на организмах самых разных уровней организации на этапе подготовки первого полета человека в космос была проверена переносимость воздействий, возникающих при старте, орбитальном полете, спуске и посадке на Землю космических летательных аппаратов, а также испытана работа биотелеметрических систем и систем обеспечения жизнедеятельности космонавта. Большое внимание при этом уделялось выяснению биологической эффективности первичной космической радиации.

Анализ результатов, полученных при проведении исследований во время полетов второго советского спутника Земли (1957 г.) и возвращаемых космических кораблей-спутников (1960 – 1961 гг.), показал возможность безопасного космического полета человека и вместе с тем выявил некоторые функциональные изменения в процессах жизнедеятельности, возникающие под влиянием тех или иных факторов полета.

На данном этапе развития космонавтики основной задачей биологических экспериментов в космических полетах является познание закономерностей адаптации земных организмов к воздействию комплекса факторов полета с целью постоянного усовершенствования принципов и методов медико-биологического обеспечения пилотируемых космических полетов, разработки рекомендаций по биологическим системам обеспечения жизнедеятельности, а также с целью решения некоторых вопросов теоретической биологии.

Биологические эксперименты в космосе проводятся как на пилотируемых, так и на беспилотных летательных аппаратах. Среди последних следует особо выделить биологические спутники (биоспутники) – искусственные спутники Земли, специально предназначенные для проведения в космических полетах экспериментов с разнообразными представителями животного и растительного мира, а также с изолированными клетками и тканями животных и растений. Такими биоспутниками были советские «Космос-110» (1966 г.), «Космос-368» (1970 г.), «Космос-605» (1973 г.), «Космос-690» (1974 г ) «Космос-782» (1975 г.), «Космос-936» (1977 г.), а также американские «Биос-1» (1966 г.), «Биос-2» (1967 г) «ОФО-1» (1970 г.), «Биос-3» (1969 г.).

Особенностью программы научных исследований, выполненных в результате успешных запусков биоспутников серии «Космос» в 1973 – 1977 гг., явился ее комплексный характер, сочетающий в себе разнообразные виды исследований, использование большого числа организмов самых разных таксономических рангов и, наконец, непрерывная внутренняя эволюция программы, характеризующаяся постепенным усложнением решаемых задач и повышением научно-методического уровня исследований. Отличительной особенностью программы научных исследований на биоспутниках «Космос» явился также ее международный характер. В подготовке и проведении экспериментов и исследований на биоспутниках «Космос-782» и «Космос-936», а также в анализе полученных результатов участвовали специалисты из НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СРР, ЧССР, США и Франции.

В полетах биоспутников «Космос» были проведены эксперименты на самых разнообразных представителях животного и растительного мира, начиная от одноклеточных организмов и кончая такими млекопитающими, как белые лабораторные крысы. Для содержания экспериментальных объектов на борту биоспутников инженерами в тесном сотрудничестве с биологами была разработана соответствующая аппаратура, включающая контейнеры различных объемов и форм, термостаты, культиваторы растений, полностью автоматизированные системы жизнеобеспечения крыс, центрифуги для создания искусственной силы тяжести (ИСТ), облучатель с искусственным источником гамма-излучения, дозиметры и т. д.

Каждому полетному эксперименту на биоспутнике сопутствовал ряд наземных контрольных экспериментов, в том числе в наземном макете биоспутника, где полностью воспроизводились все условия космического полета за исключением невесомости. Это дало экспериментаторам возможность выделить из всего комплекса воздействующих на организм факторов полета наиболее интересный и не воспроизводимый в земных условиях фактор, а именно невесомость.

Всестороннее обследование млекопитающих (крыс) после полетов на биоспутниках «Космос» не выявило каких-либо патологических изменений, обусловленных влиянием невесомости. Вместе с тем в ряде органов и тканей крыс были обнаружены обратимые структурно-функциональные перестройки, которые условно можно разделить на неспецифические и специфические.

К первым из них следует отнести признаки умеренно выраженного повышения функциональной активности ряда эндокринных органов (гипоталамус, гипофиз, кора надпочечников), участвующих в адаптации организма к необычным факторам среды обитания, и связанные с этим изменения в селезенке, вилочковой железе и в системе кроветворения. Эти изменения свидетельствуют в пользу того, что адаптация организма к условиям длительной невесомости подчиняется общебиологическим закономерностям, установленным применительно к воздействию необычных раздражителей внешней среды, т. е. сопровождается развитием в организме комплекса неспецифических реакций, объединяемых в понятие общий адаптационный синдром, или стресс. Стресс, обусловленный воздействием невесомости, носил умеренно выраженный характер и был обратимым.

К специфическим изменениям, обусловленным воздействием длительной невесомости, следует отнести в первую очередь изменения в опорно-двигательном аппарате. Так, изменения в мышечной системе крыс под влиянием невесомости длительностью до 22 суток проявились в атрофии мышц, уменьшении их силы и эластичности, увеличении скорости сокращения, разрастании соединительной ткани, распаде сократительных белков и других изменениях обменных процессов и тонкой структуры мышечных волокон. Исследования показали, что перечисленные изменения выражены тем значительнее, чем больше в той или иной мышце представлено так называемых медленных мышечных волокон, приспособленных по характеру своих обменных процессов к развитию и поддержанию длительных напряжений. Такими мышцами, в которых изменения оказались наибольшими, явились мышцы – разгибатели конечностей, выполняющие на Земле антигравитационную функцию, т. е. противодействующие силе тяжести и удерживающие вес тела.

В костях конечностей крыс были обнаружены разрежение, декальцинация, замедление скорости роста в длину и снижение механической прочности до 30%.

Изменения в опорно-двигательном аппарате животных носили обратимый характер и на 25-е сутки послеполетного периода не выявлялись.

В полете биоспутника «Космос-782» впервые в практике космонавтики были начаты экспериментальные исследования с искусственной силой тяжести. Для этой цели на борту биоспутника была установлена центрифуга с такими биологическими объектами, как насекомые, растения, рыбы, микроорганизмы, Экспериментальные исследования, проведенные на бортовой центрифуге в полете биоспутника «Космос-782», позволили установить, что биологическое воздействие искусственной силы тяжести величиной 1 g в условиях космического полета имеет в принципе такой же характер, как и воздействие естественной (земной) силы тяжести. Тем самым была впервые экспериментально показана возможность эффективного использования вращений на центрифуге на борту космического летательного аппарата для профилактики нежелательных эффектов длительной невесомости.

Исследования по проблеме искусственной силы тяжести были продолжены и в полете биоспутника «Космос-936». Этот эксперимент бы проведен уже на крысах, размещенных в двух центрифугах по 5 крыс на каждой. Предварительные результаты послеполетного обследования крыс свидетельствуют о более благоприятной переносимости факторов космического полета животными, находившимися в условиях искусственной силы тяжести.

В исследованиях на биоспутниках большое внимание было уделено также решению вопросов, связанных с обеспечением радиационной безопасности космических полетов. Особый интерес представляло изучение комбинированного воздействия длительной невесомости и ионизирующей радиации. Обследование двух групп животных (крыс), облученных на 10-е сутки полета биоспутника «Космос-690» с помощью искусственного источника гамма-излучения цезий-137 в дозах 800 ± 85 и 220 ± 25 рад соответственно, показало, что относительная биологическая эффективность гамма-облучения в условиях длительной невесомости практически такая же, как на Земле.

Это означает, что при обосновании допустимых и критических доз облучения членов экипажей в космических полетах и при расчетах толщин противорадиационной защиты космических кораблей следует исходить из данных соответствующих наземных исследований и наблюдений. При этом практически нет необходимости вносить какую-либо поправку в эти данные, обусловленную условиями космического полета.

Обследование разнообразных биообъектов, находившихся на борту биоспутников «Космос» в полетах длительностью до 22 суток, показало, что невесомость не является препятствием для нормального осуществления основных этапов жизнедеятельности организма и протекания большинства биологических процессов. Исключение представляют лишь те биологические процессы, для формирования которых необходимо наличие градиента плотности, реагирующего на силу тяжести, и присутствия чувствительных к ней рецепторов. Например, дезориентация роста растений в невесомости происходит, по-видимому, из-за того, что перестают функционировать клеточные рецепторы силы тяжести – амилопласты – и происходит сдвиг концентрационного градиента в цитоплазме.

Изучение эмбриогенеза животных в экспериментах на биоспутниках «Космос» показало, что нарушения эмбрионального развития в условиях невесомости могут возникать лишь в яйцеклетках тех типов, для эмбрионального развития которых необходимо конвекционное перемещение желточного материала. Конвекция же, как известно, в невесомости невозможна.

В проведенных экспериментах не обнаружено влияния невесомости и на процессы передачи наследственной информации. Однако нерешенным остается вопрос о направленности эволюционного процесса в невесомости. Есть основания считать, что невесомость будет создавать специфические условия отбора для некоторых мутаций, т. е. менять адаптивную ценность генотипа.

При проведении исследований на биоспутниках большое внимание уделяется выяснению влияния невесомости на индивидуальные клетки. Математические расчеты показали, что невесомость не может существенно влиять на молекулярные процессы в индивидуальных клетках. Это следует из того, что тепловая энергия их хромосом, например хромосом кишечной палочки, обусловливаемая броуновским движением молекул в клетке превышает на два порядка величины потенциальную энергию, которую они имеют благодаря действию силы земного притяжения. Следовательно, процессы деления и все другие процессы в хромосомах должны относиться к гравитационно независимым. Действительно, проведенные на биоспутниках опыты с животными и растительными клетками, а также опыты с микроорганизмами в основном подтвердили теоретические расчеты.

Как известно, клетки в культурах ткани животных и растений свободны от влияния систем, объединяющих организм в единое целое, лишены внутриорганных, а нередко и внутритканевых связей. Это позволило успешно использовать данные модели во многих областях биологии и медицины для изучения реакций клеток на внешние воздействия, реакций, не замаскированных воздействием нервной системы и желез внутренней секреции. Исследования с клетками млекопитающих в условиях космического полета показали, что невесомость не вызывает существенных изменений изучавшихся параметров клетки. Можно определенно утверждать, что невесомость не приводит к развитию генетических сдвигов, обнаруживаемых на хромосомном уровне. При послеполетном культивировании клеток не обнаружено изменений параметров митотического цикла, митоза и структурной организации клеток.

Аналогичные результаты были получены в экспериментах с культурами клеток моркови, обладающих потенциальной способностью образовывать любую ткань. В невесомости из этих клеток были получены эмбриоиды, а затем уже на Земле из эмбриоидов выросли цветущие и плодоносящие растения, ни в каком отношении не отличавшиеся от обычных. Этот опыт показал, что невесомость не затрагивает не только способность хромосом к инвариантной редупликации, необходимую для нормального деления клеток, она не влияет также на специфический синтез транспортной РНК и белков, лежащих в основе дифференцировки тканей и органов.

В экспериментах с микроорганизмами на биоспутниках изучали в первую очередь выживаемость, наследственную изменчивость, а также способность генетических структур самостоятельно упразднять случайно возникающие ошибки строения. Эти процессы в совокупности характеризуют стабильность ДНК в клетке.

Результаты показали, что споры всех четырех генетических штаммов после пребывания в течение 20 суток в невесомости не отличались от спор контрольных серий ни по количеству жизнеспособных бактерий, ни по количеству наследственных изменений, связанных с неспособностью синтезировать три важнейших аминокислоты – триптофан, гистидин и метионин. Это является указанием на то, что невесомость не повлияла ни на жизнеспособность, ни на мутабильность спор, находящихся во время полета в физиологически активном состоянии.

Отсутствие различий в выживаемости и возникновениях наследственных изменений между нормальными штаммами бактерий (Рес+ и Ро1+) и их мутантами с нарушенными системами репарации (Pol) и рекомбинации (Рес) показывает также, что невесомость не влияет на эффективность репарационных и рекомбинационных процессов, которые играют важную роль в определении жизнеспособности бактерий и при контроле их мутабильности.

На основании этих данных можно предсказать, что простые формы жизни и протекание фундаментальных биологических процессов в клетках совместимы с невесомостью неограниченно долгое время.

Исследования в полетах биоспутников «Космос» будут продолжены и в будущем. Так же как и раньше, эти исследования будут способствовать усовершенствованию системы медико-биологического обеспечения пилотируемых космических полетов и выяснению общебиологических закономерностей, лежащих в основе жизнедеятельности земных организмов.

КОСМИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА И БИОЛОГИЯ

Сборник статей

Составитель Н. М. Титкова

Гл. отраслевой редактор В. П. Демьянов

Редактор Е. Ю. Ермаков

Мл. редактор Т. И. Елова

Обложка Л. П. Ромасенко

Худож. редактор М. А. Гусева

Техн. редактор Т. В. Луговская

Корректор Р. С. Колокольчикова

ИБ № 2144

Т – 16644. Индекс заказа 84210. Сдано в набор 18.07.78 г. Подписано к печати 6.09.78 г. Формат бумаги 84 × l08¹/₃₂. Бумага типографская № 3. Бум. л. 1,0. Печ. л. 2,0. Усл. печ. л. 3,36. Уч.-изд. л. 2,90. Тираж 32 400 экз. Издательство «Знание». 101835, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Заказ 1417. Типография Всесоюзного общества «Знание», Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.

Цена 11 коп.